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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung zur Anordnung in einer Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie, umfassend wenigstens einen ebenflächig ausgebildeten metallischen Leiter, insbesondere eine metallische Platte oder eine metallische Folie, auf den eine Isolationsschicht aufgebracht ist und welcher eine Polkontaktierung zur elektrischen Verbindung mit einem Pol der Batteriezelle aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Sicherheitsvorrichtung, welche wenigstens einen ebenflächig ausgebildeten metallischen Leiter, insbesondere eine metallische Platte oder eine metallischen Folie, auf den eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, umfasst, wobei der Leiter über eine Polkontaktierung mit einem Pol der Batteriezelle verbunden ist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit einer oder mehreren Batteriezellen und einer Steuereinrichtung.
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Stand der Technik
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An Lithium-Ionen-Batterien (auch Lithium-Ionen-Akkumulator genannt) werden, insbesondere in Abhängigkeit von ihrem Einsatzgebiet, unterschiedliche Anforderungen gestellt. Besonders vielfältige Anforderungen werden an in Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien gestellt. Zwei bedeutende Anforderungen betreffen dabei einerseits die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batteriezellen und andererseits das Thermomanagement der Lithium-Ionen-Batteriezellen.
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Bezüglich der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sind unterschiedliche Sicherheitsvorrichtungen bekannt. Insbesondere sind im Stand der Technik oben genannte Sicherheitsvorrichtungen unter dem Namen Nail-Safety-Device bekannt. Ein solches Nail-Safety-Device kann eine Kupferfolie umfassen, welche zwischen der Anode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle und dem Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle angeordnet ist und elektrisch leitend mit der Anode verbunden ist. Darüber hinaus sind weitere Ausgestaltungen eines solchen Nail-Safety-Device bekannt. So offenbart die
EP 2 355 202 A1 ein Nail-Safety-Device, welches zwei gegeneinander isolierte Kupferplatten umfasst, wobei die erste Kupferplatte mit der ersten Elektrode der Batteriezelle elektrisch verbunden ist und die zweite Kupferplatte elektrisch mit der zweiten Elektrode der Batteriezelle verbunden ist. Ein Nail-Safety-Device sorgt im Fall einer mechanischen Beschädigung einer Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie, beispielsweise beim Durchschlagen des Batteriezellengehäuses mit einem Nagel, dafür, dass sich ein ausbildender Kurzschluss-Strom über die Kupferfolie beziehungsweise die Kupferplatten ausbreitet, wobei die große Fläche und der niedrige elektrische Widerstand des Kupfers dazu führen, dass es nicht zu einer lokalen Überhitzung innerhalb der Batteriezelle kommt. Einer von der Batteriezelle ausgehenden Brandgefahr wird hierdurch entgegengewirkt.
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Des Weiteren sind im Stand der Technik unterschiedliche Vorrichtungen in Bezug auf das Thermomanagement einer Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Ein Thermomanagement ist insbesondere bei in Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Akkumulatoren für einen effizienten Betrieb des Fahrzeugs bei niedrigen und hohen Temperaturen erforderlich. Bekannt sind insbesondere Vorrichtungen zur indirekten Temperierung von Batteriesystemen über ein externes Thermomanagement, beispielsweise mittels Luftkühlung oder einer Kühlplatte, wobei die Kühlplatte wiederum luft- oder fluidgekühlt wird. Um Lithium-Ionen-Batterien bei tiefen Temperaturen effizient zu betreiben, ist es erforderlich, die Batteriezellen des Lithium-Ionen-Akkumulators zu erwärmen. Zur direkten Beheizung von Batteriezellen sind dabei im Stand der Technik Widerstandsheizungen bekannt, welche entweder innerhalb einer Batteriezelle oder auf dem Gehäuse der Batteriezelle angeordnet sind.
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Da insbesondere im Automobilbau nach immer leichteren Lithium-Ionen-Batterien bzw. nach Lithium-Ionen-Batterien mit einer hohen Energiedichte gestrebt wird, und darüber hinaus ein Bedarf besteht, für den Einsatz in Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugen geeignete Lithium-Ionen-Batterien kostengünstig herstellen zu können, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer eingangs genannten Sicherheitsvorrichtung und einer Zellheizung kostengünstig und gewichtsreduziert bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Sicherheitsvorrichtung zur Anordnung in einer Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie, umfassend wenigstens einen ebenflächig ausgebildeten metallischen Leiter, insbesondere eine metallische Platte oder eine metallische Folie, auf den eine Isolationsschicht aufgebracht ist und welcher eine Polkontaktierung zur elektrischen Verbindung mit einem Pol der Batteriezelle aufweist, vorgeschlagen, wobei der Leiter wenigstens einen auf der Isolationsschicht angeordneten Heizwiderstand mit einer ersten und einer zweiten Kontaktierung aufweist, wobei über die Kontaktierungen ein elektrischer Strom durch den Heizwiderstand geleitet werden kann. Der wenigstens eine Heizwiderstand ist vorteilhafterweise wärmeleitend mit dem metallischen Leiter verbunden. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Heizwiderstand an dem metallischen Leiter derart angeordnet ist, dass die von dem stromdurchflossenen Heizwiderstand erzeugte joulesche Wärme die thermische Energie der Metallplatte signifikant erhöht. Vorzugsweise ist der metallische Leiter aus Kupfer, es sind aber auch andere gut leitende Metalle, wie beispielsweise Silber, einsetzbar. Der Heizwiderstand kann insbesondere aus einer Heizleiterlegierung bestehen. Vorteilhafterweise weist der Widerstandswert des Heizwiderstandes eine definierte Temperaturabhängigkeit auf, sodass durch Ermittlung des Widerstandswertes des Heizwiderstandes die Temperatur innerhalb der Batteriezelle bestimmbar ist oder zumindest näherungsweise bestimmbar ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch Aufbringen eines Heizwiderstandes auf eine metallische Platte bzw. Folie eines Nail-Safety-Device ein Kombibauteil realisierbar ist, welches sowohl Funktionen als Sicherheitsvorrichtung als auch Funktionen als Zellheizung ausüben kann. Der metallische Leiter der Sicherheitsvorrichtung, der im Fall eines Kurzschlusses aufgrund des Durchdringens einer Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie mittels eines Gegenstandes den Kurzschlussstrom abführt, dient dabei im Normalbetrieb der Batteriezelle insbesondere als Träger und Wärmeleiter für den wenigstens einen Heizwiderstand beziehungsweise eine als Heizwiderstand aufgebrachte Widerstandsstruktur. Die gegenüber einem herkömmlichen Nail-Safety-Device durch die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung zusätzlich bereitgestellte Funktion als Zellheizung beeinträchtigt dabei vorteilhafterweise nicht die Primärfunktion als Sicherheitsvorrichtung. Vorteilhafterweise ist das vorgeschlagene Kombibauteil aus Nail-Safety-Device und Zellheizung kostengünstiger herstellbar als die jeweils separaten Komponenten und gegenüber diesen gewichtsreduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Kontaktierung des Heizwiderstandes die Polkontaktierung ist. Die erste Kontaktierung entspricht also der Kontaktierung, über die der metallische Leiter der Sicherheitsvorrichtung mit dem Pol der Batteriezelle, in die die Sicherheitsvorrichtung eingesetzt wird, verbunden ist. Die Polkontaktierung entspricht dabei vorzugsweise der Anodenkontaktierung, d.h. die erste Kontaktierung des Heizwiderstandes ist bei in eine Batteriezelle eingesetzter Sicherheitsvorrichtung mit der Anode der Batteriezelle elektrisch verbunden. Durch die Nutzung der bereits vorhandenen Polkontaktierung der Sicherheitsvorrichtung für den Heizwiderstand wird vorteilhafterweise eine elektrische Verbindung beziehungsweise ein Ableiter eingespart. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine weitere Gewichts- sowie Kostenreduzierung erzielbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung weist der Leiter der Sicherheitsvorrichtung wenigstens einen auf der Isolationsschicht angeordneten Temperatursensor auf. Dieser Temperatursensor ist vorteilhafterweise zumindest von dem Batterie-Management-System einer Lithium-Ionen-Batterie zur Bestimmung der Batteriezelltemperatur nutzbar. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des metallischen Leiters ist die Zelltemperatur besonders gut bestimmbar. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in Abhängigkeit von von dem Temperatursensor erfassten Temperaturmesswerten ein Strom durch den wenigstens einen Heizwiderstand geleitet. Der Temperatursensor ist somit als Bestandteil eines Reglers für eine erfindungsgemäße Nutzung der Sicherheitsvorrichtung als Zellheizung nutzbar. Als Temperatursensor ist vorzugsweise ein NTC-Bauteil (NTC: Negative Temperature Coefficient) vorgesehen. Der Temperatursensor sollte insbesondere ausgebildet sein, in einem Temperaturbereich von –40°C bis +120°C mit hoher Genauigkeit zu arbeiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Heizwiderstand durch eine Widerstandsstruktur beziehungsweise eine Widerstandsheizerstruktur realisiert ist, welche auf die Isolationsschicht des metallischen Leiters aufgebracht ist. Die Isolationsschicht des metallischen Leiters kann insbesondere eine Isolationslackierung sein. Derartige Isolationslackierungen werden beispielsweise auch zur Isolierung von in Elektromotoren eingesetzten Ankerblechpaketen verwendet. Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Widerstandsheizerstruktur durch Aufdruck oder Auflaminierung auf die Isolationsschicht des Leiters aufgebracht ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizwiderstand beziehungsweise die Widerstandsheizerstruktur mittels Siebdruckverfahren auf die Isolationsschicht des metallischen Leiters aufgebracht. Der Widerstandswert des Heizwiderstandes kann dabei vorteilhafterweise durch Einsatz von Cermet-Pasten mit veränderbaren Metall-Keramik-Anteilen eingestellt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ein Temperaturfühler beziehungsweise ein Temperatursensor als diskretes NTC-Bauteil oder als gedruckte NTC-Schicht auf die Isolationsschicht des metallischen Leiters aufgebracht ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist der Heizwiderstand auf die Isolationsschicht des metallischen Leiters auflaminiert, wobei vorzugsweise ein vorgefertigter Folienverbund aus dünnen Kunststofffolien, vorzugsweise aus Polypropylenfolien, auf die Isolationsschicht des metallischen Leiters laminiert wird, in welchen die Widerstandsstruktur des Heizwiderstandes eingebettet ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist des Weiteren ein Temperaturfühler in den Folienverbund integriert. Der Folienverbund ist vorzugsweise durch Verkleben stoffschlüssig mit dem metallischen Leiter verbunden. Vorzugsweise sind der auf den metallischen Leiter aufgebrachte Heizwiderstand sowie der gegebenenfalls zusätzlich aufgebrachte Temperatursensor durch eine weitere Folienschicht geschützt, insbesondere gegen das Batteriemedium. Zur Stabilisierung und verbesserten Handhabbarkeit der Anordnung umfassend den metallischen Leiter mit dem aufgebrachten Heizwiderstand und den gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung aufgebrachten Temperatursensor sowie ggf. die den Heizwiderstand und den Temperatursensor umgebende Schutzschicht ist diese Anordnung von einem Rahmen umfasst, wobei dieser Rahmen vorzugsweise aus einer oder mehreren Polypropylenfolien gebildet ist.
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Zur Lösung der Eingangs genannten Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung ferner eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Sicherheitsvorrichtung, welche wenigstens einen ebenflächig ausgebildeten metallischen Leiter, insbesondere eine metallischen Platte oder eine metallischen Folie, auf den eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, umfasst, vorgeschlagen, wobei der Leiter über eine Polkontaktierung mit einem Pol der Batteriezelle verbunden ist und wenigstens einen auf der Isolationsschicht angeordneten Heizwiderstand mit einer ersten und einer zweiten Kontaktierung aufweist, wobei die erste Kontaktierung mit einem eine erste Polarität aufweisenden Pol der Batteriezelle verbunden ist und die zweite Kontaktierung über wenigstens ein Schaltelement mit einem eine zweite Polarität aufweisenden Pol der Batteriezelle oder einer weiteren Batteriezelle verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sicherheitsvorrichtung der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle dabei vorteilhafterweise die oben genannten Merkmale der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung einzeln oder in Kombination aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste Kontaktierung des Heizwiderstandes die Polkontaktierung ist, wobei die Polkontaktierung vorzugsweise die Anodenkontaktierung ist, die erste Kontaktierung des Heizwiderstandes also mit der Anode der Batteriezelle verbunden ist. Das Schaltelement, über das die zweite Kontaktierung des Heizwiderstandes mit einem Pol entgegengesetzter Polarität, vorzugsweise der Kathode, derselben Batteriezelle oder aber einer anderen Batteriezelle verbunden ist, muss nicht in die erfindungsgemäße Batteriezelle integriert sein. Vorzugsweise ist das Schaltelement Bestandteil eines Batterie-Management-Systems, welches die Zellfunktion überwacht. Mittels des Schaltelementes, welches vorzugsweise als Switch ausgestaltet ist, ist vorteilhafterweise der Stromfluss durch den Heizwiderstand steuerbar, vorzugsweise durch ein Batterie-Management-System. Bei geöffnetem Schaltelement fließt dabei kein Strom durch den Heizwiderstand, bei geschlossenem Schaltelement fließt ein Strom durch den Heizwiderstand. Fließt ein Strom durch den Heizwiderstand, so erwärmt sich dieser, d.h. es entsteht joulesche Wärme, welche an den metallischen Leiter abgegeben wird. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des metallischen Leiters erwärmt sich dieser ebenfalls und gibt die Wärmeenergie an die Batteriezelle ab. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung in der Lithium-Ionen-Batteriezelle als Zellheizung betrieben beziehungsweise genutzt. Gemäß einer weiteren durch die Erfindung bereitgestellten Sicherheitsfunktion wird die erfindungsgemäße Batteriezelle entladen, wenn bei geschlossenem Schaltelement die erste Kontaktierung des Heizwiderstands mit einem Pol, beispielsweise der Anode, der Batteriezelle und die zweite Kontaktierung des Heizwiderstandes mit dem weiteren Pol, beispielsweise der Kathode der Batteriezelle, verbunden ist. Eine derartige gewollte Entladung ist insbesondere bei in Fahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Batteriezellen nach einem Fahrzeugcrash von Bedeutung. So gehen von einer entladenen Lithium-Ionen-Batteriezelle geringere Gefahren aus, insbesondere bei der Bergung eines Unfallfahrzeugs, da die Gefahr von elektrischen Stromschlägen oder die Gefahr eines sogenannten thermischen Durchgehens (auch Thermal Runaway genannt) reduziert wird. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird daher das wenigstens eine Schaltelement bei einem Unfall geschlossen, vorzugsweise initiiert von einer Steuereinrichtung, vorzugsweise unter Nutzung von in einem Fahrzeug integrierter Crash-Sensorik, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird als weitere Funktion unter Nutzung der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung mit dem auf den metallischen Leiter aufgebrachten Heizwiderstand eine zumindest näherungsweise Bestimmung der Zelltemperatur bereitgestellt. Hierzu ist der Heizwiderstand temperaturabhängig ausgebildet, d.h. der Widerstandswert des Heizwiderstandes ändert sich in definierter Weise in Abhängigkeit von der Temperatur. Durch eine Bestimmung des Widerstandswertes ist somit auch die Zelltemperatur bestimmbar. Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle Mittel zum Bestimmen des Widerstandswertes des Heizwiderstandes auf und/oder ist die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle derart ausgebildet, dass eine Bestimmung des Widerstandswertes des Heizwiderstandes von außen, beispielsweise unter Nutzung des Batterie-Management-Systems, möglich ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle weist der metallische Leiter wenigstens einen auf der Isolationsschicht angeordneten Temperatursensor auf. Dieser kann, wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung beschrieben, auf den metallischen Leiter aufgebracht werden. Der Temperatursensor ist dabei vorteilhafterweise nutzbar, um die Zelltemperatur der Lithium-Ionen-Batteriezelle zu bestimmen, wobei unter Berücksichtigung der bestimmten Temperatur beziehungsweise entsprechender Temperaturmesswerte das wenigstens eine Schaltelement erfindungsgemäß steuerbar ist, um auf diese Weise eine gesteuerte oder geregelte Zellheizung zu realisieren.
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Zur Lösung der Eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Batteriemodul mit einer oder mehreren Batteriezellen und einer Steuereinrichtung vorgeschlagen, welche durch wenigstens eine erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle gekennzeichnet ist. Die Steuereinrichtung ist dabei vorteilhafterweise das Batterie-Management-System des Batteriemoduls oder zumindest ein Bestandteil des Batterie-Management-Systems. Vorteilhafterweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, jeweils den Widerstandswert des wenigstens einen Heizwiderstandes der wenigstens einen Lithium-Ionen-Batteriezelle zu erfassen. Dies kann erfindungsgemäß durch indirekte oder direkte Widerstandsmessung erfolgen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung jeweils mit dem wenigstens einen Temperatursensor der wenigstens einen Lithium-Ionen-Batteriezelle verbunden, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, mittels des Temperatursensors jeweils die Zelltemperatur der jeweiligen Lithium-Ionen-Batteriezelle zumindest näherungsweise zu bestimmen. Die ermittelte Zelltemperatur wird dabei zur Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelementes genutzt, über welches ein Strom durch den jeweiligen Heizwiderstand einer Batteriezelle geführt werden kann. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise eine gesteuerte oder geregelte Zellheizung realisiert. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, jeweils das wenigstens ein Schaltelement zu wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle zu steuern, insbesondere derart, dass der jeweilige Heizwiderstand zur Erwärmung der Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Bestimmung der Zelltemperatur der Lithium-Ionen-Batteriezelle und/oder zum Entladen der Lithium-Ionen-Batteriezelle genutzt wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung;
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2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle;
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3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle;
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4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle;
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5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle;
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6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle;
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7 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle;
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8 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul;
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9 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul; und
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10 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung 1 zur Anordnung in einer Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie dargestellt, welche sowohl als sogenanntes Nail-Safety-Device als auch als Zellheizung sowie zum Entladen einer Batteriezelle in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle einsetzbar ist. Die Sicherheitsvorrichtung 1 umfasst vorliegend einen ebenflächig ausgebildeten metallischen Leiter 2. Dieser metallische Leiter 2 ist eine wenige µm dicke Kupferfolie, auf welche ein Isolationslack (in 1 nicht explizit dargestellt) als Isolationsschicht aufgebracht ist. Die Isolationsschicht isoliert die Kupferfolie 2 dabei elektrisch gegen das Batteriemedium. Die Kupferfolie 2 weist eine Polkontaktierung 3 auf, über welche die Kupferfolie 2 mit der Anode 6 einer Lithium-Ionen-Batteriezelle verbindbar ist. Auf die Isolationsschicht der Kupferfolie 2 ist mittels Siebdruckverfahren ein Heizwiderstand 4 als Widerstandsstruktur aufgebracht (in 1 schematisch durch die Linien mit dem Bezugszeichen 4 dargestellt). Des Weiteren ist ein in 1 nicht explizit dargestellter Temperatursensor als gedruckte NTC-Schicht auf dem Isolationslack der Kupferfolie 2 aufgebracht. Die Widerstandsstruktur 4 weist eine erste Kontaktierung 3 auf, welche mit der Polkontaktierung 3 der Kupferfolie 2 identisch ist. Ferner weist der Heizwiderstand eine zweite Kontaktierung 5 auf, über welche der Heizwiderstand 4 über ein in 1 nicht dargestelltes von einem Batterie-Management-System gesteuertes Schaltelement mit der Kathode einer Batteriezelle elektrisch verbindbar ist, so dass bei entsprechender elektrischer Verbindung ein Strom durch den Heizwiderstand 4 geführt werden kann. Die Kupferfolie 2 ist zur Stabilisierung mit einer Rahmenstruktur 7 aus Polypropylen umgeben.
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In 2 ist in einer schematischen Darstellung eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung 1 dargestellt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 wird von einem Gehäuse 9 umfasst. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 weist eine Anode 6, eine von der Anode 6 durch einen Separator 10 getrennte Kathode 11 und eine zwischen dem Gehäuse 9 und der Anode 6 angeordnete Sicherheitsvorrichtung 1 auf. Die Sicherheitsvorrichtung 1 umfasst dabei vorliegend zwei Kupferplatten 2, wobei die Kupferplatten 2 mit der Anode 6 verbunden sind (in 2 nicht explizit dargestellt). Die in 2 dargestellten Pfeile 12 symbolisieren den Lithium-Ionen-Fluss von der Anode zur Kathode. Auf eine der Kupferplatten ist eine Widerstandsstruktur als Heizwiderstand 4 (in 2 symbolisch durch die Striche mit dem Bezugszeichen 4 dargestellt) auflaminiert und durch Verkleben stoffschlüssig mit der Kupferplatte verbunden. Über einen elektrischen Kontakt ist der Heizwiderstand 4 mit der Anode 6 der Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 verbunden. Über ein in 2 nicht explizit dargestelltes Schaltelement ist der Heizwiderstand 4 darüber hinaus mit der Kathode 11 der Batteriezelle 8 verbunden, so dass bei geschlossenem Schaltelement ein Strom durch den Heizwiderstand 4 fließt, wobei der Stromfluss eine Erwärmung des Widerstandes 4 bewirkt. Aufgrund einer wärmeleitenden Verbindung zwischen Kupferplatte 2 und Heizwiderstand 4 erwärmt der Heizwiderstand 4 zudem die Kupferplatte 2, wodurch erfindungsgemäß unter Nutzung der Sicherheitsvorrichtung 1 eine Zellheizung realisiert ist.
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3 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle 8. Über eine gemeinsame Kontaktierung 3 ist ein metallischer Leiter 2 (symbolisiert durch die von der Kontaktierung 3 wegführende Linie mit dem Bezugszeichen 2) und ein Heizwiderstand 4 mit der Anode 6 einer Lithium-Ionen-Batteriezelle verbunden. Der Heizwiderstand 4 weist zudem eine zweite Kontaktierung 5 auf.
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In dem in 4 dargestellten Schaltbild ist zwischen der zweiten Kontaktierung 5 des Heizwiderstandes 4 und der Kathode 11 ein Schaltelement 13 angeordnet. Über dieses Schaltelement 13 ist der Heizwiderstand 4 mit der Kathode 11 der Lithium-Ionen-Batteriezelle verbunden. Bei geschlossenem Schaltelement 13 fließt ein Strom durch den Heizwiderstand, wodurch sich dieser erwärmt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle entlädt sich dabei. Bei geöffnetem Schaltelement 13 fließt kein Strom durch den Heizwiderstand 4. Erfindungsgemäß können mehrere Schaltelemente 13 parallel geschaltet sein, um unterschiedliche Funktionen durch die Schaltvorgänge zu realisieren, beispielsweise eine von einem Cell Supervision Circuit initiierte Zwangsentladung nach einem Fahrzeugcrash und eine temperaturabhängige Beschaltung zur Nutzung des auf den metallischen Leiter 2 aufgebrachten Heizwiderstandes 4 als Zellheizung. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem parallel zu dem Schaltelement 13 ein weiteres Schaltelement 13‘ geschaltet ist. Insbesondere ist aber auch vorgesehen, dass das Schaltelement 13 ein digitaler Switch ist, der unterschiedlich ansteuerbar ist, insbesondere von einem Batterie-Management-System.
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Bei den in 6 und 7 dargestellten Schaltbildern von erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezellen 8 wird jeweils ein temperaturabhängiger Heizwiderstand 4 genutzt, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 jeweils Anschlussmöglichkeiten für Mittel 14 zum Bestimmen des Widerstandswertes oder Mittel 14 zum Bestimmen des Widerstandswertes aufweisen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes des Heizwiderstandes 4 lässt sich anhand des ermittelten Widerstandswertes die Temperatur im Inneren der Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 bestimmen oder zumindest näherungsweise bestimmen, wobei bei einer näherungsweisen Bestimmung eine Abweichung von der ermittelten Temperatur von der tatsächlichen Zelltemperatur um wenige °C tolerierbar ist. In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zur direkten Widerstandsmessung ein Widerstandsmessgerät 15 genutzt. Der Schalter 17 ist dabei optional. Soll die Zelltemperatur ständig überwacht werden, kann von der Verwendung des Schalters 17 abgesehen werden. Wie in 7 gezeigt, kann der Widerstandswert des Heizwiderstandes 4 aber auch indirekt durch Bestimmung des Spannungsabfalls über den stromdurchflossenen Heizwiderstand 4 ermittelt werden. Hierzu wird ein Voltmeter 18 eingesetzt. Die in 6 und 7 gestrichelt dargestellten Pfeile 16 symbolisieren, dass insbesondere von einer externen Steuereinrichtung, wie einem Batterie-Management-System oder einem Cell Supervision Circuit auf die Mittel 14 zur Widerstandsmessung zugegriffen werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass die ermittelten Widerstandswerte an externe Steuereinrichtungen übertragen werden, insbesondere um in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur innerhalb der Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 die Schaltelemente 13 steuern zu können.
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In 8 bis 10 sind Schaltbilder von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Batteriemodule dargestellt. Das Batterie-Management-System des jeweiligen Batteriemoduls ist dabei nicht explizit dargestellt. In 8 sind erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezellen 8 in Reihe zu einem erfindungsgemäßen Batteriemodul verschaltet. In 9 ist ein Batteriemodul dargestellt, bei welchem jede zweite Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung aufweist. Die anderen Lithium-Ionen-Batteriezelle 8‘ sind mit einem herkömmlichen Nail-Safety-Device ausgestattet. In 10 weist ein Batteriemodul zwei erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezellen 8 auf. Hierbei ist ein Heizwiderstand 4 einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 jeweils über die erste Kontaktierung 3 mit einem eine erste Polarität aufweisenden Pol der Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 verbunden und die zweite Kontaktierung 5 über ein Schaltelement 13 mit einem eine zweite Polarität aufweisenden Pol einer weiteren Lithium-Ionen-Batteriezelle 8 verbunden.
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Die in den Figuren dargestellten und in Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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